dondua2004_biol_razv_2_text

ГЛАВА 18. ПОЗИЦИОННАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Наблюдаемая в разных областях зародыша дифференциальная активность генов в ходе развития устанавливается на основе автономной и зависимой детерминации. Поскольку в разных областях эмбриона включается экспрессия своих специфических наборов регуляторных генов, каждый из которых обеспечивает разные программы развития, напрашивается предположение, что дифференциация зародыша обусловлена некой системой распределенных в пространстве сигналов, своего рода позиционной информацией.

Позиционная информация создается разными способами. Существенная роль в ее формировании на ранних этапах эмбриогенеза принадлежит материнским факторам детерминации. Безусловна роль и межклеточных взаимодействий, в результате которых в разных областях зародыша продуцируются сигнальные молекулы, предопределяющие пространственную организацию эмбриогенеза. Особый интерес представляют морфогены, т. е. такие сигнальные молекулы, позиционная информация которых обусловлена градиентами их распределения в пространстве. Повышенный интерес к морфогенам, как возможным носителям позиционной информации, объясняется, по-видимому, относительной простотой моделирования морфогенетических процессов, основанного на допущении, что причиной многообразия направлений дифференциации могут быть чисто количественные изменения одного фактора.

В ходе развития, в процессе формирования паттерна позиционная информация закономерно изменяется. Позиционная информация, с одной стороны, служит предпосылкой формирования паттерна, и таким образом предопределяет клеточную дифференциацию, рост и морфогенетические процессы. Вместе с тем в каждый данный момент позиционная информация, как система морфогенетически значимых сигналов, является выражением паттерна.

18.1. Общие представления о позиционной информации

82

Существование позиционной информации ярко проявляется в развитии гинандроморфов (от греч. γυνή --- женщина, άνήρ, род. падеж άνδρ --- мужчина), двукрылых химер, клетки которых представлены двумя генетически различными популяциями --- женской и мужской. Такие химеры возникают по разным причинам. Например, известны дизиготические химеры Дрозофилы, которые образуются в результате диспермного оплодотворения (рис. 18-1). У этих животных часть клеток имеет женский (XX), часть --- мужской (XY) набор половых хромосом. Другой вариант гетерогенности наборов половых хромосом возникает в случае утраты одной Х хромосомы при делении ядра зиготы, имеющей генотип ХХ, после оплодотворения. В результате этого нарушения одна из дочерних клеток получает полноценный (ХХ), а другая --- редуцированный (Х0) набор половых хромосом. В соответствии с автономным характером детерминации пола у Дрозофилы (см. главу NB) клетки ХХ ведут себя как женские, а клетки XY и Х0, как мужские. В зависимости от особенностей локализации потомков этих ядер образуются зародыши, а затем и imago со случайным распределением клеток мужской и женской природы (мозаичные гинандроморфы). В случае компактной сегрегации этих двух типов клеток возникают переднезадние или латеральные гинандроморфы, у которых одна часть тела имеет мужские признаки, а другая ---

женские (рис. 18-1). Значение позиционной информации для процессов дифференциации отчетливо проявляется при анализе строения передней конечности Дрозофилы. Как известно, у самцов на передней лапке на первом тарзальном сегменте образуется так называемая половая гребенка (sex comb) (рис. 18-2). У женских особей эта структура не развивается. У мозаичных гинандроморфов на первом сегменте лапки часто вместо непрерывной половой гребенки образуется структура, в которой зубцы гребенки, образованные клетками с мужским генотипом, перемежаются со щетинками, производными клеток женской природы. Клетки с женским генотипом, попавшие в первый тарзальный сегмент, образованный в основном мужскими клетками, никогда не образует зубцов половой гребенки (рис. 18-2, Г). Наоборот, какое бы пространство ни занимала женская ткань, маленькая зона мужской ткани в соответствующем месте всегда образует структуру, характерную для половой гребенки (рис. 18-2, Д).

83

Явление гинандроморфизма свидетельствует не только о существовании позиционной информации. Анализ этого явления позволяет сделать вывод, что одна и та же позиционная информация по-разному интерпретируется клетками различной генетической природы.

Экспериментальная эмбриология дает свидетельства существования позиционной информации, которая возникает на основе индуктивных сигналов. В лаборатории Шпеманна в 1930-е годы Шотте производил реципрокные ксенопластические (ксено от греч. ξένος --- чужой) пересадки эктодермы туловища нейрулы хвостатых и бесхвостых амфибий на вентральную сторону головы. У Бесхвостых при нормальном развитии в головной области образуются присоски, а у Хвостатых ---

нитевидные балансеры. В опытах Шотте было установлено, что трансплантированная туловищная эктодерма в области головы дает структуры, характерные для головной области тела. При этом оказалось, что возникающие головные структуры полностью соответствуют специфике генома трансплантата: из эктодермы Хвостатых развивались балансеры, а из эктодермы Бесхвостых ---

присоски и ротовой аппарат с характерной для Бесхвостых роговой челюстью (рис. 18-3). Эти эксперименты показали, что новообразование структур происходит в развитии амфибий в соответствии с позиционной информацией, которая в данном случае определяется индуктивными сигналами. Вместе с тем, они также свидетельствовали, что интерпретация позиционной информации полностью зависит от генома реагирующей ткани.

В обосновании концепции позиционной информации заметную роль сыграли представления о градиентах морфогенов. Исследование регенерации у низших животных (Стрекающие, Плоские черви, Аннелиды) показало, что частота и скорость восстановления структур в разных областях тела этих животных различаются. Так, у планарии скорость регенерации головы заметно выше на переднем конце тела по сравнению со скоростью развития головы при регенерации более каудально расположенной области (рис. 18-4). Восстановление головы на переднем разрезе объяснялось наличием переднезаднего градиента фактора регенерации головы, а хвостовых структур на заднем срезе --- наличием

84

заднепереднего градиента фактора регенерации хвоста. В пользу этой точки зрения приводили данные о том, что очень тонкий поперечный кусочек планарии, вырезанный в передней части тела, не способен регенерировать задний конец и образует две головы, расположенные спереди и сзади (рис. 18-5). Протяженность морфогенетических градиентов, как полагали, предопределяет размеры регенерационного поля, в рамках которого и возможно восстановление исследуемого органа.

Широко известны концепции градиентов активаторов и ингибиторов формообразования головы и подошвы гидры, также основанные на анализе частоты образования тех или иных структур при трансплантации кусочков, взятых на разных уровнях оси тела (Newman, 1974). На основании такого рода экспериментов возникло представление об апико-базальном градиенте активатора головы и апико-базальном градиенте ингибитора головы, а также о существовании обратных градиентов активатора и ингибитора подошвы. Градиентная концепция в целом непротиворечиво объясняла экспериментально данные. Так, регенерация гипостома после его удаления объяснялась высокой концентрацией активатора головы и отсутствием ингибитора головы после удаления гипостома. Появление зоны почкования у гидры в процессе ее развития объяснялось тем, что при обусловленном ростом животного увеличении расстояния между гипостомом и базальной частью гидры максимальные концентрации ингибиторов в туловищной зоне снижаются ниже порогового значения, открывая, таким образом, возможность почкования (рис. 18-6).

Современная биология развития дает многочисленные примеры реального существования градиентов морфогенов, веществ, определяющих морфогенетические процессы. Такого рода примером может служить градиент белка Bicoid зародыша Дрозофилы, который создает предпосылки для развития головных структур (см. гл. 21). Подробно исследовано формирование встречных градиентов белков семейства BMP и Chordin в гаструле амфибий, которые определяют вентральную и дорсальную природу формирующихся зачатков (гл.17). Градиенты белков Shh и BMP рассматриваются в качестве важных факторов

85

дифференциации нейронов нервной трубки позвоночных.

Теория позиционной информации Л. Вольперта. Представление о градиентах морфогенов положено в основу теории позиционной информации Л. Вольперта (L. Wolpert, 1969, 1978, 1989). Суть этой теории проста (рис. 18-7). Различия дифференциации вдоль какой-нибудь оси обусловлены, по Вольперту, существованием градиента морфогена. Первым шагом на пути образования градиента служит возникновение его границ, которое обусловлено появлением источника морфогена (рис. 18-7, И), т.е. области синтеза или активации морфогена, и "слива" (рис. 18-7, С) т.е. области, где морфоген разрушается или инактивируется. От «источника» к «сливу» морфоген распространяется путем диффузии. Градиент морфогена (М) создает позиционную информацию. Расположенные в области градиента клетки воспринимают концентрацию М как позиционное значение, т. е. как координату данной точки тела. По Вольперту, в основе детерминации судьбы клеток, как при нормальном развитии, так и при регенерации, лежит интерпретация клеткой ее позиционного значения. Существуют разнообразные модификации градиентной модели (Held, 1992). Так, иногда допускают, что все клетки действуют как слабый слив, так что на пути диффузии морфогена происходит постепенное падение его концентрации. Предложены модели, где все клетки выступают в качестве источников морфогена. В этих случаях предполагается существование специальных механизмов «накачки» морфогена в одном направлении. Нередко делается допущение существования двух противоположных градиентов, в этом случае позиционное значение клетки определяется соотношением двух морфогенов.

Позиционное значение в рамках градиентной модели --- чисто количественная характеристика, что существенно облегчает построение математических моделей дифференциации. По Вольперту, развитие признака определяется характерными для этого признака предельными характеристиками позиционного значения. Свою идею Вольперт представил в виде модели французского флага (рис. 18-7). На рисунке видно, что признак «синий цвет» определяется максимальными концентрациями морфогена, лежащими в пределах концентраций c и d. Признак

86

«белый цвет» развивается при наличии морфогена в концентрациях от b до c. Признак «красный цвет» возникает в той части градиента, где концентрация морфогена лежит в пределах между величинами a и b.

Для иллюстрации своей теории позиционной информации Вольперт использовал и флаг Соединенных Штатов Америки (рис. 18-8). Моделируя описанный выше эксперимент Шотте, он мысленно «трансплантировал» свободную нижнюю область недифференцированного, не имеющего еще определенного рисунка флага США, из которой впоследствии образуется часть с характерными продольными полосами, в прилегающую к древку верхнюю часть зачатка французского флага. В соответствии с теорией позиционной информации, можно ожидать, что трансплантат воспримет имеющуюся здесь позиционную информацию, и интерпретирует ее в соответствии со своей (американской) природой. Поэтому из трансплантата на французском флаге должна возникнуть область с характерными для американского флага звездочками.

Принципиальную возможность трансформации количественных параметров градиента концентрации морфогена в качественные характеристики развивающегося объекта иллюстрирует рис. 18-9. Если два гена различаются сродством к транскрипционному фактору, то ген с высоким сродством (ген А) будет транскрибироваться не только при высокой, но и при умеренной концентрации морфогена --- транскрипционного фактора. Ген B с относительно низким сродством к морфогену будет транскрибироваться только при его высокой концентрации. Тогда, в зоне высокой концентрации будет происходить транскрипция генов А и B, в зоне умеренной концентрации --- гена А, а в зоне низкой концентрации ни один из этих генов транскрибироваться не будет. Соответственно, возникший пространственный паттерн экспрессии создаст предпосылки для развития трех разных признаков.

Экспериментально зависимость экспрессии генов от концентрации морфогена была показана в лаборатории Гёрдена (Gurdon et al., 1994, 1995, 1998), где в условиях in vitro изучали экспрессию мезодермальных генов в недифференцированной

87

эктодермальной анимальной шапочке бластулы Xenopus. При низких концентрациях активина, при которых молекулы активина взаимодействовали менее чем с 20% активиновых рецепторов клетки, экспрессия генов, инициирующих развитие мезодермы, не происходила. При концентрации 1 nM наблюдали экспрессию гена Brachyury. При концентрации 4 nM, когда более 60% активиновых рецепторов клетки были связаны с лигандом, экспрессировался ген goosecoid.

Отдавая должное исследованиям, свидетельствующим о роли морфогенов для осуществления и координации процессов дифференциации в пространстве, следует, однако, понимать, что в реальной жизни морфогены никогда не выступают как самостоятельные независимые инструменты. То, что мы знаем в настоящее время о молекулярно-биологических механизмах дифференциации не оставляет сомнения в том, что даже самые элементарные процессы эмбриогенеза происходят под контролем сложной, разветвленной сети взаимодействующих, активирующих и ингибирующих, факторов, которые обеспечивают и динамизм, и консервативность морфогенеза. Морфогены являются важными, иногда, может быть, ведущими, но все же --- только элементами сложных генетических программ управления развитием.

Градиентная модель в свое время была воспринята с большим интересом, поскольку она позволяла непротиворечиво описывать, а иногда и предсказывать разнообразные процессы морфогенетических преобразований. Так, восстановление утраченного паттерна путем морфаллаксиса, с позиций этой модели, объясняется тем, что при становлении нового градиента клеточная память "очищается", и возникают новые позиционные значения. В соответствии с ними восстанавливается прежний паттерн, имеющий, правда, меньшие, чем прежде, линейные размеры. При эпиморфной регенерации восстановление градиента морфогена происходит после пролиферации клеток на границе среза.

Примером практического применения теории позиционной информации Л. Вольперта к анализу морфогенеза может служить исследование детерминации

88

переднезадней оси конечности птиц. Вольперт предположил, что второй, третий и четвертый пальцы передней конечности, которые образуются вдоль переднезадней оси почки конечности куриного эмбриона, формируются благодаря наличию вдоль этой оси градиента гипотетического морфогена (рис. 18-10). Для развития заднего (четвертого) пальца требуется высокая концентрация морфогена, для развития третьего --- умеренная, тогда как передний (второй) палец развивается при низкой концентрации. Было сделано предположение, что источник морфогена расположен в задней области почки конечности, а его «слив» происходит на переднем краю почки конечности. Теоретически трансплантация задней области с предполагаемым источником морфогена на передний край почки конечности должна вызвать образование зеркально-симметричного градиента морфогена с областями максимальной концентрации морфогена на переднем и заднем краях зачатка (рис. 18-11), что должно вызвать аномальное развитие конечности. Выполненные эксперименты показали, что в случае такой трансплантации действительно вместо нормального ряда пальцев (II, III, IV) формировался зеркально-симметричный паттерн --- IV, III, II, III, IV. Более того, в экспериментах, где область «истока» трансплантировали в дистальную часть конечности, что создает асимметричный градиент морфогена (рис. 18-12), формировался теоретически ожидаемый при сделанных предположениях паттерн. Было предположено, что в качестве морфогена в развивающейся конечности выступает ретиноевая кислота. Оказалось, что создание дополнительного градиента морфогена путем имплантация шарика, пропитанного ретиноевой кислотой, на передний край конечности также вызывало зеркальную дупликацию пальцев конечности. Несмотря на, казалось бы, блестящее подтверждение теории позиционной информации, более поздние исследования молекулярно-генетических механизмов спецификации конечности показали, что реальные события, контролирующие развитие конечности, значительно сложнее первоначально предложенной градиентной модели морфогенеза конечности (см. гл. 21).

Допускается, что позиционные значения могут определяться временем пребывания в каком-то состоянии. Например, временем, в течение которого клетки находятся в состоянии пролиферации. Клетки, выходящие из зоны пролиферации в

89

последовательные моменты времени, согласно этой модели, различаются своим позиционным значением, а, следовательно, и последующим направлением дифференциации.

Позиционная информация и моделирование морфогенетических процессов.

Моделирование морфогенеза отражает потребность в разработке гипотез о причинно-следственных отношениях в развивающихся системах. Абстрагируясь от конкретного молекулярно-биологического содержания процессов, модели рассматривают принципиальную схему вероятных связей событий морфогенеза, открывая перспективы для последующих поисков реальных механизмов.

Рассмотрим в качестве примера модели регенерации конечности. С точки зрения модели, регенерация возможна, если происходит восстановление всех позиционных значений конечности. Условием начала восстановительных процессов служит конфронтация позиционных значений, возникающая при контакте клеток, разность позиционных значений которых больше единицы. Контакт клеток, которые в норме друг с другом не соприкасаются, согласно модели регенерации, служит причиной пролиферации, что и создает предпосылки для эпиморфной регенерации. Предполагается, что новообразованные клетки восстанавливают утраченный градиент позиционных значений путем так называемой интеркаляции (от лат. intercalaris --- вставочный) (рис. 18-13). В ходе интеркаляции клетки принимают усредненные позиционные значения, промежуточные между позиционными значениями конфронтирующих клеток. Процесс интеркаляции заканчивается после того, как образуется полный ряд позиционных значений. Последующая интерпретация позиционных значений предопределяет детерминацию и дальнейшую дифференциацию регенерата.

При трансплантации на срез конечности таракана кусочков конечности, имеющих иные позиционные значения, происходит интеркалярная регенерация. При этом восстанавливается именно та область конечности, которая в неповрежденной конечности располагается между этими, приведенными теперь в контакт частями. Пусть проксимо-дистальная ось конечности, состоящей из последовательно

90

расположенных тазика, вертлуга, бедра, голени и лапки, имеет позиционные значения от 10 (наиболее проксимальная часть) до 1 (наиболее дистальная часть). На уровень среза конечности с позиционным значением 8 трансплантируем дистальную область конечности, линия разреза которой прошла по клеткам с позиционным значением 4. В соответствии с условиями модели конфронтация тканей с позиционными значениями 4 и 8 вызовет пролиферацию клеток, и согласно усредняющей модели новообразованные клетки примут сначала промежуточное между 4 и 8 позиционное значение 6, а позднее восстановятся все утраченные значения 7, 6, 5. Градиент позиционных значений по направлению соответствует исходному градиенту. Другой результат будет получен, если на срез конечности в области позиционного значения 4 трансплантировать кусочек отрезанный на уровне позиционного значения 8. В этом случае аналогичные процессы восстановления позиционных значений приведут к формированию инвертированного градиента. Образовавшаяся после трансплантации новая структура в проксимо-дистальном направлении будет иметь позиционные значения 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4 (уровень среза), 4, 5, 6, 7, 8 (граница новообразованного участка), 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1. В отличие от первого опыта полярность участка, возникшего в результате интеркалярной регенерации, не совпадает с исходной полярностью конечности. Таким образом, эта несложная модель обладает некой предсказательной силой. Можно предполагать, что она выражает, хотя и в абстрактной форме, какие-то существенные связи, имеющиеся в реальности.

Известна модель полярных координат, которая хорошо описывает процессы, происходящие как при регенерации имагинальных дисков насекомых, так и при регенерации конечности амфибий (French et al., 1976; Bryant, 1978). Если взятый у личинки Дрозофилы имагинальный диск разрезать на части и поместить эти фрагменты в брюшко взрослой мухи, то в этих условиях инициируется клеточная пролиферация, и фрагменты восстанавливают свои размеры. Такие восстановленные фрагменты можно заставить дифференцироваться, если их снова трансплантировать в личинку перед ее метаморфозом (рис. 18-14). Проведенные эксперименты показали, что если имагинальный диск разрезать на две неравные части, то крупный фрагмент после описанных манипуляций полностью

91